E- KL ASSE

MOTOR

© Daimler AG

Familiengründer OM654 Ein Novum: Erstmals erscheint eine neue Modellreihe mit einem neuen Motor. Mit dem 2-l-Vierzylinder OM654 legt Mercedes-Benz die Basis der künftig einheitlichen Dieselmotoren-Familie. Zahlreiche Neuentwicklungen sorgen für mehr Komfort und größere Effizienz.

124

DIESEL-POWERTRAIN-PORTFOLIO

Erste Überlegungen zum künftigen Dieselmotoren-Portfolio bei Mercedes-Benz begannen bereits im Jahr 2011. Richtungsweisend für die Technologiestrategie waren die Forderung nach einer hohen Zukunftsfähigkeit, die bis in die Mitte des nächsten Jahrzehnts reicht und der damit verbundene technologische Führungsanspruch von Mercedes-Benz im Premiumsegment. Primäre Entwicklungsziele waren die vier klassischen Felder: – CO2- beziehungsweise Verbrauchsminderung – Erhöhung der Leistungsdichte zur Steigerung der Fahrleistungen – Erfüllung aller künftigen Emissionsanforderungen – Komfortsteigerung. Anhand dieser Entwicklungsziele sollte sichergestellt werden, dass die hohen Erwartungen der Kunden an einen agilen Antrieb mit einem deutlich erhöhten Komfortanspruch erfüllt werden. Außerdem sollten „Best-in-Class“-Verbräuche und die Emissionszielerfüllung im realen Kundenfahrbetrieb gewährleistet sein. Ausgehend von diesen Anforderungen war die Entscheidung für die Auslegung der Architektur und Hauptabmessungen mit der Festlegung des Lastenhefts klar: – einheitlicher Zylinderabstand mit 90 mm (analog der Ottomotoren) – Einzel-Zylinder-Hubvolumen von knapp 500 cm3 – Auslegung auf eine spezifische Leistung von bis zu 90 kW/l

– Aluminium als Werkstoffwahl für das Kurbelgehäuse-Konzept – komplette Abgasnachbehandlung als integraler Motorbauraumumfang. Hierdurch war es möglich, eine einheitliche Basis für die Anforderungen des gesamten künftigen Mercedes-Benz Dieselmotoren-Portfolios zu legen, das Potenziale birgt bis hin zu den künf tigen Top-Typen im SechszylinderPremiumsegment. Der hier vorgestellte 2-l-Vierzylinder OM654 stellt die Basismotorisierung dieser zukünftigen einheitlichen Dieselmotoren-Familie dar. INNOVATIONEN

Der neue Dieselmotor OM654 ist ein Vierzylinder-Reihenmotor mit knapp 2 l Hubraum. Zylinderkopf und Kurbelgehäuse sind in Aluminium ausgeführt, wobei die Zylinderlaufbahnen eine Nanoslide-Beschichtung haben, BILD 1. Bei einem Zylinderabstand von 90 mm konnte eine sehr kompakte Außengeometrie konstruiert werden. Eine Bohrung von 82 mm und einem Hub von 92,3 mm ermöglichen es, ein sowohl für die Reibleistung als auch für die Thermodynamik vorteilhaftes Hub/ Bohrungsverhältnis s/D von 1,12 darzustellen. Der Motor hat ein um 12 mm geschränktes Triebwerk; die Zylinderbohrungen sind gegenüber der Kurbelwellenachse zur kalten Seite hin versetzt. Dadurch konnten sowohl Reibungs- als auch Packagingvorteile realisiert werden.

Der Motor hat vier Ventile pro Zylinder und zwei oben liegende Nockenwellen. In der vorgestellten Variante werden ein einstufiger Turbolader mit VTG und ein Common-Rail-Einspritzsystem mit PiezoServo-Injektoren und 2050 bar Einspritzdruck eingesetzt. Zur weiteren Steigerung der Verbrauchseffizienz sind die Stahlkolben beim OM654 erstmals mit einer Stufenmulde ausgeführt. Die Nennleistung des OM654 beträgt 143 kW (spezifisch 73 kW/l) bei einem maximalen Drehmoment von 400 Nm, was einem Mitteldruck von 25,8 bar entspricht, BILD 2. Die zukunftssichere Emissionsauslegung fußt auf der AdBlue-basierten Stickoxidreduzierung mit SCR-Katalysatoren und schließt die zukünftigen Anforderungen für RDE und WLTP mit ein. Zur Partikelfilterung und Stickoxid– reduzierung ist eine kompakte Abgasanlage mit DOC, AdBlue-Dosierung und sDPF in motornaher Anordnung vorgesehen. Durch die motornahe Anordnung hat die Abgasnachbehandlung einen geringen Wärmeverlust und optimale Arbeitsbedingungen. Das gesamte Motorkonzept, insbesondere die heiße Motorseite, wurde stark von der Integration der Abgasanlage beeinflusst. Besonderer Wert wurde darauf gelegt, dass die Abgasanlage möglichst unverändert in viele Fahrzeugapplikationen übernommen werden kann. Durch eine Mehrwege-AGR, die gekühlte Hochdruck- und NiederdruckAGR kombiniert und gleichzeitig auch die AGR-Kühlung in der Aufheizphase umgeht, werden die Rohemissionen des

BILD 1 Innovationen (© Daimler AG) Mai 2016

Mercedes-Benz E-Klasse

125

E- KL ASSE

MOTOR

Motors im gesamten Kennfeld bei verbrauchsoptimaler Lage des Verbrennungsschwerpunkts deutlich abgesenkt. KONSTRUKTIVE MERKMALE

BILD 2 Leistungs- und Drehmomentkurve (© Daimler AG)

Motorbauart

R4-Dieselmotor

Bohrung × Hub

82 × 92,3 mm

Zylinderabstand

90 mm

Hubraum

1950 cm 3

Nennleistung (bei Drehzahl)

143 kW (3800 min -1); 73 kW/dm 3

Nennmoment (bei Drehzahl)

400 Nm (1600 – 2600 min -1); p me = 25,8 bar

Kurbelgehäuse

Aluminium-KGH mit Nanoslide-Zylinderlaufbahn, Schränkung 12 mm zur Gegendruckseite, integrierter Lanchester-Ausgleich

Zylinderkopf

Aluminium-Zylinderkopf, 4-Ventil-DOHC

Triebwerk

Stahlkolben; geschmiedete Kurbelwelle, 5-fach gelagert

Verdichtungsverhältnis

15,5

Einspritzung

Common Rail mit 8-Loch Piezo Servo Injektor, 2050 bar

Aufladung

1-stufige Aufladung, variable Turbinengeometrie

Abgasrückführung

Mehrwege-AGR mit gekühlter Hochdruck- und Niederdruck-AGR

Abgasnachbehandlung

AdBlue-DeNO x, motornahe Kombibox mit DOC, SDPF, SCR

Motorgewicht

702007 DIN GZ (trocken) [kg]: 168 kg, fahrfertig 208 kg inkl. motornaher Abgaslage

Emissionsstufe

Euro 6-2; Auslegung für WLTP und RDE

TABELLE 1 Technische Hauptdaten (© Daimler AG)

BILD 3 Kraftstoffverteilung (mit Verbrennung) im Brennraum (© Daimler AG)

12 6

Ausgangspunkt der Entwicklung der neuen Mercedes-Benz Powertrain Architektur (MPA) war die Frage, wie ein Architekturkonzept der Motoren/ Getriebe mit einer einheitlichen Positionierung im Fahrzeug in Verbindung mit einer motornahen Anordnung der Abgasanlage in den aktuellen und zukünftigen Fahrzeugbaureihen realisiert werden kann. Die Aufgabenstellung wurde durch folgende Maßnahmen gelöst, TABELLE 1: 1. kompakte Abmessungen des Grundmotors im Hinblick auf minimale Motorbaulängen und -höhen 2. senkrechter Einbau der Motoren in den Fahrzeugen 3. Schränkung des Triebwerks um 12 mm in Richtung Einlassseite (linke Motorseite) 4. einheitliche Position der Motoren/ Getriebe in den jeweiligen Fahrzeugbaureihen in Verbindung mit einer bauraumoptimierten Anordnung der Komponenten und Aggregate. Die Festlegung von Bohrung 82 mm und Hub 92,3 mm erfolgte im Hinblick auf ein Einzel-Zylindervolumen von knapp 500 cm3, maximale Spitzendruckfähigkeit des Alu-Kurbelgehäuses (205 bar) sowie ein optimales Pleuelstangenverhältnis bezüglich Verbrennung und Reibung. THERMODYNAMIK

Für den OM654 wurde ein komplett neues Brennverfahren entwickelt. Erstmals im Pkw kommt das StufenmuldenBrennverfahren zur Anwendung. Das Hauptmerkmal ist die beschriebene Kolbenmulde, die als sogenannte Stufenmulde ausgeführt wurde und nicht wie bisher als Omega-Mulde. Vorteil dieses neuen Brennverfahrens ist eine sehr gute Luftausnutzung bei geringer Partikelemission. Durch die gegenüber der Omega-Mulde gesteigerte Brenngeschwindigkeit steigt der Wirkungsgrad. Der Rußeintrag ins Motoröl sowie Kraftstoffbenetzung der Zylinderwand wird durch den muldenformbedingten Frischgasvorhang reduziert, BILD 3. Aufgrund der geänderten Strömungsverhältnisse im Brennraum

BILD 4 Systematische Darstellung Mehrweg-AGR (© Daimler AG)

ergeben sich ein geringerer Wärmeabfluss über die Zylinderwand sowie eine gleichmäßigere Temperaturverteilung am Zylinderkopf und eine Entlastung der hochbeanspruchten Ventilstege. Insgesamt resultieren daraus verringerte Wandwärmeverluste, die ebenfalls zur Wirkungsgradsteigerung beitragen. MEHRWEGE-AGR

Auf Basis der guten Erfahrungen mit einem zusätzlichen ND-AGR-Pfad bei der Euro-6-Rohemissionsvariante des Vorgängermotors OM651 wurde auch die neue Motorengeneration mit zwei AGR-Pfaden ausgerüstet. Diese Kombination ermöglicht es, in einem sehr großen Kennfeldbereich bei wirkungsgradoptimalen Einstellungen zukünftige Rohemissionen darstellen zu können und die große Spannbreite der Fahrzeugvarianten mit einheitlichen Hardwarekomponenten sowie einer geringen Applikationsvarianz abzudecken, BILD 4. Die Luftpfadmodellierung und Regelungsstrategie erlauben im ganzen Kennfeld einen voll variablen Mischbetrieb aus HD- und ND-AGR und stellen damit die Grundlage dar, die stationär auf Verbrauch optimierten Einstellungen auch instationär fahren zu können. Die Darstellung der gefahrenen Gesamt-AGRRaten in BILD 5 zeigt, dass hier bereits RDE-Anforderungen umgesetzt wurden und deshalb bis zur stationären Volllast die AGR aktiv ist.

BILD 5 Gesamt-AGR-Raten im Kennfeld (© Daimler AG)

EINSPRITZSYSTEM BILD 6 Anordnung Injektor-Strahlkegel am Stufenmulden-Kolben (© Daimler AG) Mai 2016

Mercedes-Benz E-Klasse

Der bekannte Piezo-Injektor CRI3 der Firma Bosch ist bei Mercedes-Benz seit über zehn Jahren in unterschiedlichsten

127

E- KL ASSE

MOTOR

BILD 7 Abgasnachbehandlung: Strategie und Konzeptmerkmale der Systemauslegung (© Daimler AG)

Systemdruckstufen äußerst erfolgreich im Einsatz und wurde für die Anwendung im OM654 in Bezug auf die Thermodynamik weiterentwickelt. Der maximale Systemdruck liegt bei 2050 bar. Zum Einsatz kommt eine Acht-Loch-Düse, die bezüglich Durchfluss und Lochgeometrien auf den neuen Brennraum angepasst wurde, BILD 6. Erstmals findet die Einstempelpumpe CP4 Verwendung, die in vergleichbarer Ausführung bereits seit einiger Zeit am Markt bewährt ist. Die Hochdruckpumpe wurde in Bezug auf das Gewicht und den Wirkungsgrad verbessert. Der Antrieb der Pumpe ist so gewählt, dass

eine thermodynamisch optimale, einspritzsynchrone und phasenlagenoptimierte Förderung erfolgt.

STRATEGISCHE ENTWICKLUNGSZIELE DES EMISSIONSKONZEPTS

Die Abgasnachbehandlungskomponenten bilden einen integralen Bestandteil des Motors und sind elementare Bausteine für das Niedrigemissionskonzept mit hohem Verblockungsgrad. Sowohl die Dimensionierung und Konstruktion, als auch die funktionale Ausgestaltung sind konse-

quent auf die Erfüllung zukünftiger Emissionsgesetzgebungen (WLTP und RDE) ausgelegt. Sie folgen der Zielsetzung eines Einheitssystems mit gleichen Schnittstellen zur Fahrzeugperipherie und geringer Applikationsvarianz in der Vielzahl der Anwendungen. Die Schwerpunkte der strategischen Lastenheftziele und der Konzeptmerkmale zeigt BILD 7. Daraus ergeben sich die wesentlichen zwei Maßnahmen: – Motornahe Anordnung und SCRBeschichtung auf DPF (sDPF) – Große Substratquerschnitte und einheitliche Katalysatorvolumina.

BILD 8 Anordnung Abgaskomponenten Hotend (© Daimler AG)

12 8

International, Digital, Interactive: The new eMagazine from MTZ MTZworldwide – always in pole position when it comes to engine development & technology

harge: c f o e e r f s y r 30 da Test now fo tz-worldwide.com www.m

MTZ eMagazine has 100 pages packed with information:  company news and the latest products  specialist articles from industry and research  guest comment  interview on the cover story Mai 2016

Keyword search: The search function enables you search for a keyword in the complete issue in a matter of seconds

PDF downloads: The classic function for saving and downloading articles

Didactically prepared: Animations and editorial videos offer genuine added value and complement the specialist articles from the automotive industry

Interactive contents: Jump immediately to your selected article with one click

Responsive HTML5 implementation: This ensures that you have access to your eMagazine not only from desktops and laptops but also from smartphones and tablets

User-friendly and direct without an app: HTML5 technology provides a direct link to the website, ensuring access without an app store

Mercedes-Benz E-Klasse

12 9

E- KL ASSE

MOTOR

BILD 9 Vergleich Ampelstartwerte 0 m – 4 m – 10 m – 20 m (© Daimler AG)

MOTORNAHE ANORDNUNG

Alle für die Effizienz der Emissionsminderung relevanten Komponenten sind direkt am Motor verbaut. Unterstützt durch Isolationsmaßnahmen und weiterentwickelte Katalysatorbeschichtungen kann motorseitiges Temperaturmanagement im Kaltstart und Niedriglastbetrieb vollständig entfallen. Die Integration der SCR-Funktion in den Partikelfilter (sDPF) schafft optimale Bedingungen für eine effiziente NOx-Minderung bereits bei niedrigen Abgastemperaturen. Daraus ergeben sich weitere Vorteile für das Emissionsverhalten in Niedriglastkollektiven (RDE) und Freiheitsgrade für eine

verbrauchsoptimale Verbrennungseinstellung (CO2-Gesetzgebung). GROSSE SUBSTRATQUERSCHNITTE

Eine besondere Herausforderung war die Festlegung der Substratvolumina für hohe Umsatzraten im gesamten Fahrzeugportfolio bei gleichzeitiger Erfüllung der Packageanforderungen aller Module. Auch hier konnte durch frühzeitige Simulation eine optimale Auslegung und Dimensionierung erreicht werden. Durch eine entsprechende Architektur und aufwendige Detailarbeit war es möglich, die geforderten Durchmesser und Volumina

(DOC: 6,2", 1,95 l / sDPF: 7,0", 3,8 l / SCR: 7,0", 2,8 l) innerhalb der fahrzeugseitig vorgegebenen Packagerestriktionen der Abgasanlage umzusetzen. Das reduziert zusätzlich den Gesamtdruckverlust der Abgasanlage bedeutend, woraus sich signifikante Vorteile für Motorleistung, Agilität und Kraftstoffverbrauch ergeben. BILD 8 zeigt die Gesamtanordnung. INDIVIDUALISIERUNG POWERTRAIN

Die einzelnen Fahrprogramme ECO, Comfort, Sport und Sport+ unterscheiden sich signifikant in der Erlebbarkeit

BILD 10 CO2-Emissionen im Vergleich zum Vorgängeraggregat (© Daimler AG)

13 0

Die Autoren Dr. Markus Kemmner, Projektleiter Powertrain OM654/656, Peter Lückert, Leiter Dieselmotoren Powertrain und Einspritzung, Torben Roth, Projektleiter Powertrain OM654, Tillmann Braun, Leiter Abgasnachbehandlung und OBDOM 654 (v.l.n.r.) (© Daimler AG).

BILD 11 Vergleich 0 bis 100 km/h (© Daimler AG)

für den Fahrer. Dies wird ermöglicht durch die Kombination von Features (Segeln, Launch Control) und spezifische Applikationen von Teilfunktionen (beispielsweise Fahrpedalcharakteristik, Lastschlagdämpfung) in den jeweiligen Fahrprogrammen. FAHRZEUGERGEBNISSE

Der Vorgängermotor E 220 d hat eine zweistufige Turboaufladung und rund 10 % mehr Hubraum. Eine besondere Herausforderung war daher das Erreichen einer nochmals verbesserten Anfahrperformance in Form eines

guten Ansprechverhalten und einer souveränen Drehmomentcharakteristik. Durch konsequente Optimierung von Ansprechverhalten, Drehmomententfaltung und Fahrleistung, aber auch aufgrund des geringeren Motorgewichts, hat der OM654 beispielsweise beim Ampelstart klare Vorteile gegenüber dem Vorgänger, BILD 9. Mit der konsequenten Auslegung des OM654 auf niedrigsten Kraftstoffverbrauch konnte eine sehr geringe CO2-Emission realisiert werden. Die hohe Effizienz des OM654 in Verbindung mit dem Neungang-Automatik getriebe zeigt sich insbesondere bei der Betrachtung

der Fahrzeug-CO2-Emissionen im Vergleich zum Vorgängeraggregat, BILD 10. Hierbei erreicht der OM654 einen neuen Spitzenwert mit 102 g CO2/km. Ebenso wird mit dem OM654 Powertrain ein sehr dynamischer Antrieb mit klassenbesten Fahrleistungen realisiert. Im Vergleich zum direkten Vorgänger werden die Fahrleistungen – bewertet in der Beschleunigungszeit 0 bis 100 km/h – um über 10 % beziehungsweise um 1 s reduziert, BILD 11.

Individuell, integriert, innovativ. Mechanische und elektrische Wasser- und Ölpumpen für PKW- und Truck Anwendungen. Mit ausgereiften, innovativen Thermomanagement-Lösungen sind wir einer der weltweiten Technologieführer. Unsere mechanisch angetriebenen Wasserpumpen können den Volumenstrom der Pumpe abschalten oder voll variabel regeln. Dies führt zu einer schnelleren Motorerwärmung nach Kaltstart und erheblicher Kraftstoffeinsparung im NEFZ. Gemeinsam mit Spezialisten aus der Nidec-Gruppe entwickeln wir neuartige elektrische Pumpenkonzepte im Spannungsbereich für 12 und 48 Volt. NIDEC GPM GmbH | Schwarzbacher Str. 28, D-98673 Auengrund OT Merbelsrod Tel. +49 (0) 36878 64-0 | www.nidec-gpm.com | [email protected]

Mai 2016

Mercedes-Benz E-Klasse

131